第七章海流观测

7.1,海流观测方法,7.2,海流计简介,7.3,海流时间及误差分析,7.4,直读式海流计使用,7.5声学多普勒海流剖面仪使用7.6海流观测资料处理,7.7余流分析,海水运动是乱流、波动、周期特性潮流与稳定的“常流”综合作用结果。这些流动具有不同尺度、速度与周期，并且随风、季节和年份而变。其强度一般由海表面向深层递减。,海流观测主要是指海水运动空间尺度较大（大于5km）、时间尺度较长（周期超过12h）的运动，其中包括潮流和常流（余流）两个部分。因此，乱流与波动排除在外。,潮流是伴随着潮汐涨落现象所作的,周期性变化,的,海水流动,。它是由月亮与太阳的引潮力引起的。在一昼夜时间内，其变化周期有半日（半日潮）和全日（全日潮）两种。,海流概况：,2,海水还有沿一定路径、方向基本朝向一个方向的大规模的运动，这种准定常运动称为,常流,（余流）。,它是由各种原因，例如风的作用，海洋受热不均匀，地形的影响等产生的。常流有点象陆地上的江河，它可以把一个区域的海水输运到另一个区域，但是，它比江河的能量大得多。强大者其宽度有时可达200km，深度可达2000m左右。它们所能输运的水量，要比陆地上所有大小江河输送水量的总和还要大几十倍。,3,进行海流观测时，要按一定时间间隔持续观测一昼夜或多昼夜，所得到的结果是,常流和潮流运动的合成,。对一昼夜或多昼夜获得的资料，经过计算，可将这两部份分离开来。水平方向周期性的流动称为,潮流,，其剩余部分称为常流、余流或通称,海流,。,掌握海水运动的规律非常重要，它可以直接为国防、生产、海运交通、渔业、建港等服务。海流与渔业的关系密切，在寒施和暖流交汇的地方往往形成良好的渔场。,如：,北海道渔场 位于日本北海道 形成条件：日本暖流与千岛寒流交汇。,世界第一大渔场。,纽芬兰渔场 北美洲东岸，,加拿大境内，,纽芬兰岛附近 形成条件：,墨西哥湾暖流与拉布拉多寒流交汇，“踏着水中雪鱼脊背就可以走上岸”,北海渔场 位于欧洲西部北海 形成条件：北上的北大西洋暖流与南下的东格陵兰寒流在北海交汇。,秘鲁渔场 秘鲁沿岸在东南信风带内，东南信风从南美大陆吹向太平洋，使沿岸表层水离岸而去，底层海水上升补充，而形成上升补偿流，把海底营养盐带至表层。,3,一：海流观测方法,海流的观测包括,流向和流速,两项。,单位时间内海水流动的距离称为流速，单位为cm/s 。,流向指海水流去的方向，单位为度，正北为0，顺时针旋转，正东为90，正南为180，正西为270。,海流观测层次参照温度观测层次，根据需要选定。但海流观测的表层，规定为03m以内的水层。由于船体的影响（流线改变或船磁影响），使得流速、流向测量不准。,4,一：海流观测方法,海流连续观测的时间长度不少于25h，至少每小时观测一次，预报潮流的测站，一般应不少于三次符合良好天文条件的周日连续观测。在测量海流的同时，还要同时进行风速、风向等气象要素观测。以便对海流变化提供客观分析条件。,观测海流的方式一般划分为：随流观测的,拉格朗日法,和定点的,欧拉法,。,4,拉格朗日法,拉格朗日法又称随体法：跟随流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规,。,拉格朗日法是以研究单个流体质点运动过程作为基础，综合所有质点的运动，构成整个流体的运动。 以某一起始时刻每个质点的坐标位置（a、b、c），作为该质点的标志。,任何时刻任意质点在空间的位置(x、y、z)都可以看成是（a、b、c）和t的函数,。,拉格朗日法基本特点: 追踪流体质点的运动,。,优点: 可直接运用固体力学中质点动力学进行分析,4,欧拉法,欧拉法是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述对象研究流动的方法。,它不直接追究质点的运动过程，而是以充满运动液体质点的空间流场为对象。研究各时刻质点在流场中的变化规律。将个别流体质点运动过程置之不理，而固守于流场各空间点。通过观察在流动空间中的每一个空间点上运动要素随时间的变化，把足够多的空间点综合起来而得出的整个流体的运动情况。,4,1 浮标、漂移测流法,浮标漂移测流方法是根据自由漂移物随海水流动的情况来确定海水的流速、流向，主要适用于表层流的观测。最早的漂移物就是船体本身或偶然遇到的漂浮物，以后逐渐发展成使用人工特制的浮标。,5,1 浮标、漂移测流法,浮标漂移测流法虽然是一种比较古老的方法，但在表层观测中有其方便实用之优点。随着科学技术的发展，漂移物移动情况的跟踪，已开始应用雷达定位、航空摄影、无线电定位等工具来测定，这样就可以取得较为精确的海流资料。,漂浮法测流是使浮子随海流运动，再记录浮子的,空间时间,位置。为此，使用了表面浮标，中性浮标，带水下帆的浮标，浮游冰块等。这些方法具有主动和被动性质，因此，可以借助于岸边，船上，飞机或者卫星上的无线电测向和定位系统跟踪浮标的运动。测较大深度的流速和流向则采用中性浮标。,6,1 浮标、漂移测流法,浮标法的测点是在拉格朗日坐标系统中进行的，取起始坐标 X0 和从开始时间起所经过的时间,t-t,0,为独立变量。流动坐标由下式确定：,流速可确定为坐标对于时间的导数：,7,1 浮标、漂移测流,法,（1）漂流瓶测表层流,漂流瓶(又称邮瓶)通常被用来研究海流的大致情况，根据漂流瓶的漂移路径及所花时间就可以大致地确定流速和流向。,7,1 浮标、漂移测流,法,（2）,双联浮筒测表层流,双联浮筒是浮标测流中常用的一种工具，船只锚定后或在海上平台等相对稳定的载体上，在船尾放出双联浮筒，根据它的移动情况测定表层流的平均流速和流向。,1 浮标、漂移测流法,（3）,跟踪浮标法,(A),船体跟踪：,将一个浮体(或双联浮筒)施放于一选定的海面上，使之自由地随海水流动，观测者乘小船始终尾随浮体移动并按特定的时间间隔从船上定位或从岸边确定船位，这样连续观测，一般要延续一个半日潮周期，并画出浮体在此时间段内的运行轨迹，进而得出该海区相应时间段内的海水运动的基本状态。,这种方式必须在良好的天气状况下才能进行。,8,1 浮标、漂移测流法,（3）,跟踪浮标法,(B),仪器跟踪：,随着高科技技术的发展和应用，新的更准确更方便的仪器跟踪浮标及相应的观测方式相继产生，并开始应用于海流实测之中，有的使用人工特制的随海水自由流动的浮标，在岸上用雷达跟踪定位；有的浮标本身就可定时地发射无线电讯号，送入天空运行的卫星中再返回地面接收系统。还有的使用航空摄影的方式来测定浮标的移动情况，从而观测相应的海区海水流动的状况，等。,10,1 浮标、漂移测流法,（4）,中性浮子测流,深海中下层海流的观测相对而言是比较困难的，通常的观测方法都难以实施。而中性浮子由于其本身可调节性，可适用于这种深海海流的观测，如美国Bcnthous公司生产的中性浮子(1958年英国的 Swallow 发明），可适用于06000m深范围内的海流测量。,10,1 浮标、漂移测流法,实测中，首先根据温盐观测值，确定出待测海流层的海水密度，按此等效密度调节中性浮子，施放的中性浮子在预定的水层上处于重力和海水浮力相平衡的状态下，在这个预定水层上随海水一同漂流，观测船上利用声纳跟踪中性浮子的漂移，消除掉因船体漂移产生的相对运动，即可测出相应水层的流动速度和方向。,一：海流观测方法,2 定点观测海流,目前，海洋水文观测中，通常采用定点方法测流，以锚定的船只或浮标，海上平台或特制固定架等为承载工具，悬挂海流计进行海流观测,（1）定点台架方式测流,在浅海海流观测中，若能用固定台架悬挂仪器，使海流计处于稳定状态，则可测得比较准确的海流资料并能进行长时间的连续观测。,（A）,水面台架,：若在观测海区内已有与测流点比较吻合的海上平台或其它可借用的固定台架，用以悬挂海流计，将是既节省又有效的测流方式。实测时，要尽可能地避免台架等对流场产生的影响，否则，测得的海流资料误差过大，甚至不能使用。,14,一：海流观测方法,2 定点观测海流,(B),海底台架：,按一定尺寸制作等三角形或正棱锥形台架放置于海底，将海流计固定于框架中部的适当位置，就能长时间连续观测浅海底层流。当然，首先必须能够保证仪器安全并能确保台架不会在风浪作用下翻倒或出现其它意外事件。,我国曾用这个方式将三架海流计悬挂于正棱锥铁架上，放于石臼大港水深10m的海底上，测量距底0.3m、1m、2m的海流长达1年以上，以研究海底粗糙度，计算泥沙起动流速。这也是我国第一次用这种方法测流。,2 定点观测海流,（2）锚定浮标,以锚定浮标或潜标为承载工具，悬挂自记式海流计进行海流观测，称为锚定浮标测流。有的仅用于观测表层海流，有的则用于同时观测多层海流。前者通常设放在进行周日连续观测的调查船附近，以取得海流周日连续观测资料。观测结束时将浮标收回。后者一般是单独或多个联合使用，以取得长时间海流资料，观测结束时将浮标收回。,16,2 定点观测海流,（2）锚定浮标,最新发展的大、中型多要素水文气象观测浮标一般都有测流探头，可进行长时间的连续的海流观测。,2 定点观测海流,（3）锚定船测流,以船只为承载工具，利用绞车和钢丝绳悬挂海流计观测海流仍是,常用的和最主要的测流方式,。,首先根据水深确定观测层次，然后将海流计沉放至预定水层，测量流速和流向并记下观测时间。当钢丝或电缆倾角大于10 时，需作深度的倾角订正。如用自记海流计，可根据绞车和钢丝绳的负载，采用三角架和平衡浮标，在绞车的钢丝绳上悬挂多台海流计同时观测多层海流。,一：海流观测方法,在船只行走的同时观测海流,，,不仅可以节省时间，提高效益，而且可以同时测多层海流。此外，使常规方法很难测流的海区(如深海)的海流观测得以实现。,新近发展和应用的一些走航式海流观测仪器(如ADCP)，为海流观测开辟了新的途径，测流方式提高到了新的水平，,其测流原理大多是，测出船对海底的绝对速度，同时测出船对水的相对速度，再矢量合成得水对海底的速度即海水的流速、流向。,3 走航测流,19,流速不大于100cm/s时，水深在200m以浅的海区，流速测量的准确度应为, 5cm/s,。,水深在200m以深的海区，流速测量的准确度为, 3cm/s,，流向测量的准确度为,10,。,流速超过100cm/s时，水深在200m以浅的海区，流速测量的准确度为, 3%,，流向测量的准确度均为,10,。,随着海流仪器的发展，这些精度要求也在逐渐提高,。,4 海流连续观测的精度要求,20,(1),观测浅层(船吃水深度三倍以内的水层)海流时，应借助小型锚定浮标或施放小艇进行观测，以消除船体的影响；利用调查船为承载工具测浅层以下各层海流时，若使用非自记海流计，待海流计沉放至预定观测水层后即可进行观测；使用自记海流计，可根据绞车和钢丝绳的负载，串挂多台海流计同时测多层海流。测流时必须记录观测开始时间和结束时间。,5 海流观测的注意事项,20,5,海流观测的注意事项,(2),如果用自记海流计悬挂于浮标或潜标上进行海流观测时，投入与回收浮标(或潜标)的船只必须具备专用提吊设备，浮标(或潜标)锚定后记录观测开始时间和浮标（或潜标)准确位置。观测结束回收浮标(或潜标)前记录观测结束时间。,浮标或潜标上的闪光装置须切实水密，保证正常连续闪光，在深海测流时，如船只抛锚困难且深层流速确实很小，可用“双机法”观测，即在漂移船只上，将一台海流计置于预定观测水层，而将另一台海流计沉放至“无流层”。两层海流计观测结果的矢量差，便是预定水层的海流观测值。,21,5,海流观测的注意事项,当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角超过10 ，应进行倾角订正。,以船只为承载工具进行海流连续观测时，应每三小时观测一次船位。如发现船只严重走锚(超过定位准确度要求)，应移至原位，重新开始观测。,周日连续观测一般不得缺测，凡中断观测两小时以上者，最好重新观测。,22,二：海流计简介,海流观测是水文观测最重要而又是困难的观测项目，现场条件对海流观测的准确度有极大的影响。为了在恶劣的海洋条件下，能准确、方便地观测海流，科学家研制出了各具特色的海流观测仪器。,这类仪器的基本原理是依据旋浆叶片受水流推动的转数来确定流速，用磁盘确定流向。根据这类仪器记录部分的特点，大致可分为厄克曼型、印刷型、照相型、磁带记录型、遥测型、直读型、电传型等旋浆海流计。,1,机械旋浆式海流计,1,机械旋浆式海流计,（1）厄克曼海流计,它是埃克曼在1905年(瑞典物理海洋学家V.W.Ekman）首先设计制造的一种海流仪器，主要由轭架、旋桨、离合器、计数器、流向盒及尾舵等部件构成。,七十多年来一直保持其最初的形式，但目前在向电子化方向发展，仪器的测量深度不受限制。但是，不能测低速流，因为旋浆起动速度一般为0.03m/s，测量精度一般为：流速 0.05 m/s，流向1015 。,24,（2）印刷型海流计,是船用或浮标用的定点自记测流仪器，最大使用深度为6 000m，连续记录时间长达半年之久，流速流向记录在纸带或锡箔上。,印刷型海流计的记录装置由弹簧带动，工作程序由定时机构控制，测量流速范围，一般在0.032 m/s，流速的均方误差小于2%，流向精度为 5 ，自记工作时间由时钟控制轮决定。,25,（,3,）照相型海流计,是船用的定点自记测流仪器。照相型海流计用一个大直径导流叶轮测量流速，流向随海流的转动方向的度盘示数进行照相记录，其测量值记录在耐压壳内的胶上。,胶卷一般用宽16mm，长15m，可记录6000幅照片，该仪器的测量深度为150m，自记工作时间达30天。,（4）磁录式海流计,是浮标用的定点自记测流仪器，其工作原理多数将测量数据以二进制编码方式记录在磁带上，也有用其它方式记录在磁带上。最大使用深度为10006000m，大致测量流速范围为0.034m/s，精度为 0.030.05m/s，,如挪威产的安得拉海流计，它是目前全世界使用最广泛的海流计。,27,（5）遥测海流计,系浮标用定点自记测流仪器，该仪器系统为双频道的无线电遥测装置，包括装在浮标上的传感器和装在船上或岸上的接收装置。,流速与流向值根据自记仪纸带上记录脉冲频率和相对位置而进行测定,。安装在岸或船上的接收装置能够连续定向接收来自三个浮标的数据。其测量范围0.13.6m/s。流速测量精度 0.05m/s，流向精度 10。,27,（,6,）直读式海流计,系船用定点测流仪器。,流速流向测量的电信号均经电缆传递到显示器。,测量数据直观、资料整理方便，测量速度快，有的可以兼测深度。仪器最大使用深度为150660m，流速测量范围0.057m/s。,美国、前苏联、日本都有生产，,中国,海洋大学海洋仪器厂也进行批量生产。,28,2 电磁海流计,该类仪器是应用法拉弟电磁感应定理，通过测量海水流过磁场时所产生的感应电动势来测定海流的。根据磁场的来源不同，可分为地磁场海流计，人造磁场电磁海流计。,地磁场电磁海流计,深海型,表层型,水深大于100m,只适用于测表面层的海流,优点是,：可以走航自记。水下部件结构简易，可靠性高。,缺点是,：由于它与地球垂直磁直强度有关，不能在赤道附近使用，只适用于地磁垂直强度大于0.1奥斯特的海区，同时，它受船磁的影响也较大，其测流范围在0.033m/s。测量精度为 0.02m/s，流向 5。,29,人造磁场电磁海流计,受深度和纬度的限制不大。它适于船用或锚定水下测量,它的水下传感器呈流线型，底部垂直地安装两对电级，内装有电磁线圈，把30HZ的正弦交流电作用在线圈上，线圈便产生一交流磁场，当海水流过磁场时，电极产生一个输出信号，根据输出信号的相位和振幅，最后换算得出,流速值,。该仪器流速测量范围为15.4257cm/s。测量精度为 0.26cm/s。,30,2 电磁海流计,人造磁场电磁海流计,目前，世界上广泛使用的是美国Interocean公司生产的S4型的电磁海流计，其外形是球形，很好地解决了仪器倾斜对测流的影响,。,其主要优点为：精度高，测量值可靠，体积小，操作简便，无活动部件，对流场无影响，其测量范围是流速0350cm/s，精度为 1cm/s，或2%满量程，流向精度为 2 。,3,声学多普勒海流计,该类仪器是以,声波在流动液体中的多普勒频移,来测流速的。,其优点是：声速可以自动较准，能连续记录，仪器无活动部件，无磨擦和滞后现象，测量时感应时间快，测量精度高，可测弱流等。,3 声学多普勒海流计,其缺点是存在仪器的本身发射功率、电池寿命和声波衰减等问题，因此限制了该类仪器的使用。该类仪器的大致精度在 2cm/s，流向精度 5 ，工作最大深度506000m不等。,广泛使用的有美国的UCM-60（如图 ）、EG&G公司的SACM-3声学海流计和挪威安德拉公司生产的RCM9多普勒海流计。严格地说，ADCP也应该是此类海流计，不过其发声频率、功率和接收回声以及处理方式有所不同。,33,二：海流计简介,3 声学多普勒海流计,多普勒效应：,镜面移近声、光源，反射波的频率增加，波长减小。,镜面移开声、光源，反射波的频率减小，波长增大。,扩展：多普勒效应,当奔驰的列车向你驶来，并经过你的身旁，而后又离开你驶向远方，在这一过程中，你有没有注意到你耳朵中听到的列车的鸣笛声有什么特殊的现象？,生活中的特殊现象,列车靠近时，鸣笛声越来越尖锐；列车远离时，鸣笛声越来越低吟。是不是列车的扩音器的频率本身发生了变化？,生活中的特殊现象,汽车驶近时，行驶的声音越来越尖锐；汽车远离时，行驶的声音越来越低吟。是不是汽车行驶的声音的频率本身也发生了变化？,生活中的特殊现象,飞机飞近时，轰鸣声越来越尖锐；飞机飞远时，轰鸣声越来嘶哑。是不是飞机的轰鸣声的频率本身也发生了变化？,多普勒效应(,Doppler effect,),1、,现象(,1842年发现,),：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低。,3、,多普勒效应,：由于波源和观察者之间有,相对运动,，使观察者,感到频率变化,的现象叫做多普勒效应。,2、音调：由频率决定，频率越高音调越高，频率越低音调越低。,注意：频率由声源决定，实际频率并没有变化。,多普勒效应实验,将蜂鸣器固定在一长竹杆的一端，然后用竹杆将蜂鸣器举起，并在头上快速旋转，即可感受多普勒效应。,多普勒效应实验,多普勒效应模拟,1、观察者静止不动，数经过的队伍中的人数，每分钟假设有30个人经过。,v,测,2、当观察者逆着队伍行走时，数经过的队伍中的人数，每分钟将,大于,30个人经过。,v,测,v,测,=0,3、当观察者与队伍同向行走且速度比队伍的小时，数经过的队伍中的人数，每分钟将,小于,30个人经过。,多普勒效应的成因,1、声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此,波源的频率等于单位时间内波源,发出,的完全波的个数,。,2、观察者听到的声音的音调，是,观察者接收到的频率，即单位时间内,接收,到的完全波的个数,。,3、由于相对运动，声源的频率没有变化，而是观察者接收到的频率发生了变化。,单位时间内波源发出几个完全波，观察者在单位时间内就接收到几个完全波，故观察者接收到的频率等于波源的频率。,1、波源和观察者没有相对运动时,多普勒效应的成因,2、观察者朝波源运动时,观察者在单位时间内接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大。,3、观察者远离波源运动时,观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减少。,观察者感觉到波变得密集，即波长减小，接收到的频率增大。,观察者感到波变得稀疏，即波长增大，接收到的频率减少。,1、波源朝观察者运动时,2、波源远离观察者运动时,多普勒效应的成因,1、当波源与观察者有相对运动时，如果二者,相互接近,，观察者,接收到的频率增大,；如果二者,相互远离,，观察者,接收到的频率减小,。,2、在,观察者运动,的情况下，引起观察者接收频率的改变，是由于,观测到的波的速度发生改变,（波的波长不变）。,3、在,波源运动,的情况下，引起观察者接收频率的改变，是由于,观测到的波的波长发生改变,（波的速度不变）。,多普勒效应,1）观察者朝波源运动,2）观察者离波源运动,1、波源不动，观察者相对波源运动,多普勒效应中观测频率的计算,2、观察者不动，波源相对观察者运动,1）波源朝观察者运动,2）波源离观察者运动,多普勒效应是波动过程共有的特征，一切波（如电磁波和光波）都能发生多普勒效应。,应用1、雷达测速仪：交通警察向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波（通常是红外线），波被运动的汽车反射回来时，接收到的频率发生变化，由此可指示汽车的速度。,多普勒效应的应用,应用2、有经验的铁路工人可以从火车的汽笛声判断火车的运动方向和快慢；,有经验的战士可以从炮弹飞行时的尖叫声判断飞行的炮弹是接近还是远去,。,应用3、,用多普勒效应测量其它星系向着还是远离地球运动的速率。,宇宙中的星球都在不停地运动测量星球上某些元素发出的光波的频率，然后跟地球上这些元素静止时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度。,应用4、临床上应用：彩色多普勒超声诊断系统,医生向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度这种方法俗称,“,彩超,”,，可以检查心脏、大脑和眼底血管的病变。,多普勒效应的应用,应用5、军事应用(E-3,“,望楼,”,预警机) 脉冲多普勒雷达，多谱勒导航仪,多普勒效应的应用,波长：17m -17mm,科学漫步,1、可闻声波： 人耳能听到的声波，其频率范围大致在,20Hz-20000Hz,之间。,2、次声波：频率,低于20Hz,的声波。不能引起人类听觉器官的感觉。,3、超声波：频率,高于20000Hz,的声波。不能引起人类听觉器官的感觉。,1,、次声波的特点：次声波由于,频率小,故,波长较长,易发生衍射,传播距离较远。,2、次声波的应用：通过次声波探知几千千米外的,核武器试验,和,导弹的发射,，或,预报,破坏性很大的,海啸、台风,。,次声波,3、次声波对人体的影响,1）次声波,1-3Hz,：可以使人产生恐惧，,地震前,动物的不安，也是这个频率的次声波引起；,2）次声波,3-6Hz,：能使人精神失常，失去理智；,3）次声波,8-12Hz,：可以使人思维集中，增强记忆力；,4）,太强,的次声波将使人感到烦躁、耳鸣、头痛、恶心和心悸，人的,晕船和晕车,就是由于机械振动、空气和海浪摩擦发生的次声波引起；,特别强,的次声波还会使人四肢麻木、耳聋、鼻孔出血、内脏破裂，直至死亡。,超声波,1、超声波的能量很大：理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体的,振动能量跟振动频率的二次方成正比,。超声波的频率很高，因而能量很大。,2、超声波沿直线传播：因为,超声波的波长很短,，不易绕过障碍物发生明显的衍射现象，故超声波基本上沿直线传播。,应用1、,超声波加湿器,的基本原理：利用,超声波的剧烈振动,可以把普通水“打碎”成直径仅为几微米的小水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大房间中空气的湿度,超声波,应用2、,超声波雾化器,：超声波还可以把药物击碎成微粒和空气混合形成“药雾”，病人吸入后，可以治疗肺部和气管类疾病，如咽喉炎和气管炎。,应用3、治疗各种结石疾病：利用超声波的,巨大能量,还可以把人体内的,结石击碎,。,应用4、,按摩疗效,：利用超声波作用于人体时。机体细胞受到振荡和刺激，可起按摩作用，治疗神经痛等疾患。,应用5、用超声波,消毒灭菌,也是有效的。例如用超声波来给牛奶消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对营养成分的破坏,超声波,应用6、,超声波探伤,：由于超声波的穿透能力很强，可以制成超声波探伤仪，用来探查金属、陶瓷、混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹等缺陷。,超声波,应用7、,B超,：就是利用超声波的发射，来探查人体内部的各种器官、组织等有无异常，还可以确定肿瘤的有无、位置和大小等等,超声波,应用8、利用超声波,清洗污垢,：金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事，但如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的,剧烈振动,冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净。,应用9、,声呐,：超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多。,水声测位仪,就是根据超声波的这种特性制成的装置，这种装置既能发出短促的超声波脉冲又能接收被潜艇、鱼群或海底反射回来的超声波，根据反射波滞后的时间和波速，就可以确定潜艇、鱼群的位置或海水深度,仿生学,1、很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官。以昆虫为食的蝙蝠，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物。,海豚,也有完善的“声呐”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置。,2、现代的,无线电定位器雷达,，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器。深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这就是近几十年来发展起来的一门新学科,仿生学,。,34,二：海流计简介,4 光学式海流计,目前激光多普勒技术可以应用在实验室中测流，有人认为激光多普勒流速计的精度能达到百分之几的量级，空间分辨率大约为0.5m，时间分辨率大约为0.5s，此技术可用于海洋中测流速，但此项技术尚处在研究阶段，离实际应用还有距离。,5 电阻式海流计,该型仪器是利用海流对电阻丝的降温作用来测流的，其优点是可测瞬时流和低速流，测量精度高，可以遥测，但当前未见于实际应用,。,6 遮阻涡流海流计,它的工作原理是：将一扁平或圆柱杆置于流场中，必在其后产生海水涡动现象,，,用声学方法测出涡流的频率，并根据频率与流速成正比、与圆柱杆的直径成反比的关系得出流速值。测量信号传输到记录系统加以记录。如美国J-TEC联合公司生产的CM-1106CD型涡流计就是一例，其流速测量范围为0.15.0m/s，测量精度为量程的 2%。,二：海流计简介,海样调查中最广泛应用的仍然是各种类型的安德拉海流计和直读式海流计，声学多普勒海流计是目前唯一可测量弱流的仪器，广泛用于大型海洋调查中。,三、,海流观测的持续时间选择,噪声：海水湍流或乱流，对海流观测造成干扰，观测时间的长短相当于“时间滤波器”将噪声过滤掉。,1 流速场的描述,海洋中的运动：海洋中各种可能运动的尺度谱很宽，实际上不可能用流体动力学方程同时独立地描述所有这些运动。海洋中这样的运动可分为三种：规律性大尺度运动，可独立描述。极其无规律的小尺度涡旋运动，如湍流，需用统计描述。各类具有周期性的波动，可独立描述。,2 海洋湍流,湍流：在气体和液体流动中均存在，流体的热力学和流体动力学特征具有杂乱无章的起伏特性，是由于在流动中具有众多的、各种大小不等的涡流导致。,大洋中的湍流的能量来源有六种机制可能：,1、中尺度准水平运动的流体动力学不稳定性，是湍流能量的强大来源。,2、大型地转流的不稳定性。,流的不均匀性有关）,3、漂流的不稳定性是产生湍流能量积聚的另一机制。,4、表面波浪的翻卷，是产生最上层湍流的机制。,5、海面冷却、强烈蒸发、结冰造成表层水增盐产生的对流运动。,6、,流的小尺度是由重力内波和涡流决定的。（内波的形成与气压的变化、表面波浪、流经不平海底时产生的作用以及大尺度流的不均匀性有关）,大洋湍流发生的多种机制和这些机制的发生概率，导致大洋各层湍流状态差异很大。大致分为三种：,1、厚约,10m,的上边界层，湍流强烈，源于表面波的翻滚、漂流的不稳定性和对流运动。,2、主体层，此层湍流主要由内波和地转流引起，较弱。,3、近底边界层，厚约,10m,，具有近地层流的速度垂直梯度的非稳定性引起的傍壁型湍流。,3 观测时间长短的选择,1、厄克曼型海流计：,2、印刷海流计：,3、直读式海流计,4、安德拉海流计：,3 观测时间长短的选择,根据以上所述的海流计流速感应时间可以看出，能量感应时间以,30,秒为最少，通常使用,3,分钟，对于大洋中潮流速度较小、常流速度较强的海区来说，记录时间可以加长,。,其理由如下，从噪声产生来看，近海区短频噪声主要来自热噪声和波浪噪声，热噪声就是由于热量分布不均匀而导致密度分布不均匀，从而产生局部对流和湍流扩散，其时间尺度一般在,10,秒左右，波浪噪声周期在大洋中不超过,30,秒钟，在浅海中很少超过,10,秒。,四、影响海流观测误差分析,1,平台无运动时的误差,海流计悬吊在船上或浮标上所产生的误差多半是自于,平台的运动,而产生的，即使平台没有运动也有四种误差产生：,1,、,接近海面的流动由于平台的影响而改变,：这种误差可以用同时比较的办法验证出来，在流速低、船身偏航使船体与海流成相当大角度时更为严重。,2,、,平台磁场导致仪器磁罗针偏移,：海流计上用于感应海流方向的罗经系统会受到船身磁场的影响，所以在测量时尽量使用木船。,3,、,吊缆弹性是仪器反映失真,：在流速转变时长吊缆使流速的反映落后，并使峰值衰减。,4,、,钢缆倾斜导致的深度误差,。深度误差很容易理解的，它的重要程度与速度的垂直梯度的大小有关，特别是在激烈的变速情况下非常重要。,2,平台缓慢移动所产生的误差,平台缓慢移动的作用包括围绕以台首位中心的,偏摆,，以锚为中心的,回转,，偏摆和回转叠加在由于锚缆一张一弛的飘荡上面，导致海流计随着来回晃动。虽然长吊缆可以缓冲平台影响，但降低了仪器的灵敏度。,3,平台快速运动,-,波浪场的影响,在海洋的上层，波浪具有特别重要的作用，波浪起伏的海面可认为是随机运动的表面，表面波激起表层海水的运动，是与湍流有区别的，可以用统计方法分离波动随机场和湍流场。,呈现在仪器上的短暂的快速水平运动都是直接由波浪或间接由波浪使平台振荡以及海水乱流产生的。,3,平台快速运动,-,波浪场的影响,在风浪作用下，由于流速传感器和浮体之间使用柔性连接，浮体运动的影响近似认为对传感器附加上下垂直运动和水平往复运动。浮体运动所形成的水平速度分量使流速传感器起实测流速值变大，而附加垂直分量使实测流速减小。,4,铅鱼和吊坠的影响,在小流速时，铅鱼在仪器对,流向变化的响应中起阻尼作用。,5,海洋生物影响,海洋生物的附着对锚定水下传感器，其中包括各种流速传感器的寿命造成威胁，海洋附着生物分植物和动物两大类（如海菜，腾湖、牡蛎等）。植物,600,种，主要是藻类，动物,1300,种，如海葵、寄生蟹等。,五 直读式海流计,LC9-2,型直读海流计主要用于,200m,以浅不同深度处的水流速度和方向仪器可直接显示数据，也可以打印取得记录。,仪器主要有水下探测器：水上数据终端等部分组成，其间以三芯轻便电缆传输信号并承担水下探测器重量，,旋浆,导流罩,流速发讯器,接收器,吊架,双垂直、双水平尾翼,插座,数据终端,三芯电缆,浮子,仪器结构,仪器采用旋桨式转子感应流速，其转速与被测流速成正比，在规定的测量范围内具有良好的线性关系，仪器的旋浆具有良好的流入角特性和倾斜特性，动态特征好。,仪器采用了双垂直和双水平尾翼，流速从,0.03,3.5m/s,不同速度下，海流计始终置水平状态，并且旋浆都处于正面迎流位置，充分体现了标准极坐标型海流计的要求。机内罗盘受地磁定向，其夹角即为磁流向。,旋浆,导流罩,流速发讯器,接收器,吊架,双垂直、双水平尾翼,插座,数据终端,三芯电缆,浮子,旋浆,导流罩,流速发讯器,接收器,吊架,双垂直、双水平尾翼,插座,数据终端,三芯电缆,数,据终端,(8),的数据处理采用单片微机系统，具有较好的低温和低功耗特性，终端数据可同时送液晶显示，标准打印机和,RS232,接口系统还可以存贮,24h,整点测量数据，控制输出开关,(DUMP),随时倒出打印。,浮子,旋浆,导流罩,流速发讯器,接收器,吊架,双垂直、双水平尾翼,插座,数据终端,三芯电缆,仪器工作,原理,水,下探测器与微机系统共同用一组直流,6V,电源工作。水下探测器的工作状态由微机系统通过三芯电缆,(9)1,、,2,、,3,控制；由流速和流向传感采集的信号经,AD,转换后，通过三芯电缆,1,、,2,、,3,送至微机系统进行数据处理然后送至仪器，打印机和存贮器，在工作电压降至,4.5V,时，,液晶显示器,即显示出欠压指示标志，此时必须更换电池，以确保测量结果的准,确度。,浮子,仪器操作方法,:,1,将水下探测器下放到预定深度进行流速的测量。,2,进入,30s,快速测量打印模式，打印一次流速和流向值。,3,进入正常的测量，打印模式。,4,日历时钟起始值的设定。在上次设定完成后，出现询问性提示,111,，如要求设定日历时针，按,SET,。若不要，,2,秒后仪器开始正常测量。如果设定的程序出现错误，仪器会将错设的设定值置为,0,，以作为出错标志。,仪器操作方法,:,5,数据的直读,:,仪器的工作以,3min,的基本周期，其中流速测量占,140s,，仪器完成测量后有音响信号，由此开始，仪器交替显示流向和流速值，重复,8,次。,6,更换电池。显示器左端出现久压标志时，表示电池已不能维持正常工作应立即更换电池,注意,事项,(1),仪,器在使用中应避免碰撞，避免摩擦和挤坏电缆。,(2),仪,器用完，应先关掉电源，取出电池，,保养,水下部分。,(3),按,仪器检定的要求时间进行,率定校准,，以确保仪器精度。,六 声学多普勒海流剖面仪,(ADCP),声学多普勒海流剖面仪是目前观测多层海流剖面的最有效的方,法。,其,特点是精度高、分辩率高，操作方便。自七十年代末以来，,ADCP,的观则技术迅速发展，国际上出现了多种类型的,ADCP,。,目,前国际上的大型海洋研究项目中如,TOGA,（热带海洋与全球大气计划），,WOCE,（世界大洋环流实验），,WEPOCS,等都使用,ADCP,。,ADCP,已被海委会,(IOC),正式列为四种新型的先进海洋观测仪器之一。,ADCP,测流,原理,是,测定声波入射到海水中微颗粒后向散射在频率上的多普勒频移，从而得到不同水层水体的运动速,度。,超,声源,(,或发射器,),和接收器,(,散射体,),之间有相对运动，则接收器所接收到的频率和声源的固有频率是不一致的，若它们是相互靠近，则接收频率高于发射频率，反之则低，这种现象称为,多普勒效,应,。,接,收频率和发射步率之差叫多普勒频移。,安裝於玻璃纤維浮球中的上視式,ADCP,海流仪，注意其对称排列的四个音鼓。,ADCP,测流原理,把,上述原理应用到声学多普勒反向散射系统时，如果一束超声波能量射入非均匀液体介质时，液体中的不均匀体把部分能量散射回接收器，,反向散射声波信号的频率与发射频率将不同，产生多普勒频移,，它比例于发射,/,接收器和反向散射体的相对运动速度。这就是声学多普勒速度传感器的原理。,ADCP,测流原理,其中： ：接收信号频率,c,：声波在海水中的传播速度,：发射频率,v,：散射单元运动速度,(,海流速度,),：,发射波束或接收波束与海流速度方向夹角。,则多普勒频移：,（,1,）,（,2,）,一定质量的水质散射单元以速度,V,运动，根据多普勒效应接收信号频率是：,式中，,T,，为温度；,S,，为盐度；,D,，深度。,则测出,c,和 即可求得海流的速度,v,而水中声速可按下列公式计算：,由于,vcos c,所以,d,由上式得，,(3),若,为已知，,(4),ADCP,测流原理,利,用回声速,(,至少三束,),测得水体反散射的多普勒频移，便可以求得三维流速并且可以转换为地球坐标下的,u(,东分量,),，,v(,北分量,),和,W(,垂直分量,),。,由,于声速在一定水域中，在一定深度范围内的水体中的传播速度基本是不变的，根据由声波发射到接收的时间差，便可以确定深度。利用不断发射的声脉冲，确定一定的发射时间间隔及滞后，通过对多普勒频移得谱宽度的估计运算，便可以得到整个水体剖面逐层段上水体的流速。,七 近岸异重流现象与观测,1,异重流定义,异重流，就是上下两层密度不同的流体作相对运动的现象。,在,自然界中，异重流是极为常见的现象。例如浑水流入水库；河流注入海洋；冷暖空气的对流；火山爆发时沿山坡下滑的”热云”等现象都是异重流的例子。人们根据流动的水流位置不同，又将异重流分为上异重流，中异重流和下异重流三种。,七 近岸异重流现象与观测,1,异重流定义,(1),上,异重流：流入海洋的河水密度小于海水密度。河水漫于海水的表面，这就是上异重流。这种现象在河流入海处比较常见。,(2),中,异重流：由于温、盐垂直分布不均匀，海水密度有分层的现象，河流入海后，沿着相同的密度面运动，这就是中异重流。在自然界中这种异重流是少见的。,(3),下,异重流：又叫”潜流”或”水底泥流”。例如，携带泥砂的河水进入水库后，它的密度一般总比水库中的清水为大，因此，河水常潜行库底，形成下异重流。,近年来，海洋中下异重流（又称为浊流）的大量发现，是研究海洋沉积的最重要成就之一。下异重流的理论几乎能与海底构造方面的板块学说同样重,要。,作,为浊流的作用，特别是高速度，高密度的浊流作用，重力滑坡是最重要的一种，即由于地壳的运动，地震的影响，或由于波浪的压力作用，使大陆坡上的沉积物顺坡下滑，以强大的速度向深海冲去，其最大滑动速度可以达到,100km/h,。,一,场大风过后，被风浪带起的泥沙渐渐沉淀于底层，使底层海水增密，然后顺着斜坡向下运动。我们称之为”沉降增密异重流”也是属于下异重流的一种。,八 近底层海流的观测,近,底层海流,是指离海底,2,米高度内的海水运动，其中包括潮流和常流。,1,近底层海流,：,从,研究海洋湍流角度来说，海底是流体的固体边界，由于海底底质各异（有泥、沙、砾石或三种混合的海底），底形,起伏不,定，这一层次中的海流结构也就有所不,同。,要,求出（,10,）,式的,的分布规律，就要先进行近底层流速、流向的观测。在研究近岸泥沙运动力学的问题中，更需要知道近底层的流速和流向，知道大风天气近底层流的,变化,流速表达式通常可写为,（,10,）,式中， 为卡曼常数，一般可取为,0.40,； 为边界上的摩擦应力； 为海水密度； 为海底的粗糙度，是一个与海底粗糙程度有关的物理量。,在,浅海区，我们可以采用了一种钢架结构，放在海底上悬挂海流计，进行长时间的连续测流。从而对海底推移质的运动，对风海流，对海底粗糙度的计算提供了第一手资料。,2,钢架的设置与观测点的选择,（,1,）坚固耐用。,通过现场试验证明，用,4cm,的角铁做一个高,3m,、底边边宽,2m,的四面锥体形架子，放在最低水深,10m,、海底为沙砾质、最大流速（表层流速）达,100cm/s,的海底上。这样的钢架即使遇到,8,级以上的大风，也不会被,吹倒。,钢架要求：,2,钢架的设置与观测点的选择,（,2,）尺寸适当。,使用,3m,的钢架测流，对离底,2.05m,的海流计，没有机械影,响。,（,3,）避免钢架磁性干扰。,用木船进行现场比测的结果，证明这种钢架对海流计没有太明显的磁力影,响。,（,4,）防止人为损坏。,为了让经常往返该处的交通船只和渔船多加注意，海面要设上标志，白天用浮标，晚上以灯标为宜。,钢架要求：,八 近底层海流的观测,3,观测的实施方法,运抵定点海域投放，安装到位。,(2),观测期间定期检查，清除仪器上的附着物。,八 近底层海流的观测,4,观测结果的分析,确定海底粗糙度,Z,。,最早进行近底层海流梯度观测的是弗列明茨（,1942,年）。他的观测层次分别是离底,21cm,、,51 cm,和,126 cm,，海流速度为,1526 cm/s,，求出的,Z,0,为,2cm,。,莫思齐（,19471949,）利用旋杯流速仪同时在离底,9249cm,中进行,12,层流速观测，证明边界层中流速剖面近似对数,形式。,八 近底层海流的观测,李歇尔（,1951,）进行了四层流速观测（,20,，,40,，,60,，,80cm,），并且分别在三种不同的海底地形上进行实验，水深为,45 m,。计算出在粗粒砂和泥质沙海底上，水动力粗糙度,Z,0,分别为,1.3,1.6mm,，而在泥质海底上，水动力条件是平滑的，速流很小：离底,160 cm,处速度只达到,12.7 cm/s,，所以未进行粗糙度计算。,恰诺克（,1959,）在涨潮流中应用五个旋杯传感器在离底,30200cm,中间，进行流速观测，流速近似对数形式，粗糙度,Z,0,在,13mm,之间。,我,国海洋科学家也曾经在石臼嘴海域观测了三个层次：,20cm, 95cm, 205cm,，求出,20-95cm, 95-205cm,间的,Z,0,值（,Z,01,、,Z,02,）列于书中表,4,。,从,表中得出，该海区粗糙度一般是很小的，若将,Z,0,为,100,的那两个数略去，取其总数平均，则得,。这与李歇尔（,1951,年）所算得的,1.31.6mm,值非常接近。,九、 海流观测资料的整理与分析,海洋观测给出的是流速、流向的离散型的数值，必须经过分析扯理才能获取我们所需要的信息，进而探索海流的运动规律和内在的机制。,1,流速量曲线图,海流观测大多数是对某测点上流速、流向随时间变化的连续观测，因而流速流向曲线图属于水文要素变化的范畴，是过程曲线。,2,流速流向曲线修匀,观测时流场的随机干扰和各种偶然误差的客观存在，依观测的数据所绘制的流速流向曲线会在主体变化上产生一些上下扰动，甚至在个别在上产生大的跳跃，使曲线呈锯齿状，因而不能完全反映实际海流或不能真实地体现客观流场， 所以要预先对流向流速曲线圈进行必要修匀。,